전파망원경

전파망원경은 천체로부터 입사되는 전자기파 중에서 전파를 수신하는 망원경이다. 주로 거대한 포물면 접시형 안테나를 써서 빛을 집적하고 분광한다. 천체의 추적은 광학 망원경과 유사하게 적도의식 또는 경위대식 가대를 사용하지만 전파 망원경은 대부분 거대한 구조이므로 경위대식이 주를 이룬다. 최대 크기의 전파 망원경은 미국 그린 뱅크에 있는 로버트 C 비어드(Robert C Byrd) 망원경으로 구경이 100 m에 이른다. 접시를 움직일 수 없는 최대 구경의 전파망원경은 중국이 최근 완공한 FAST(Five hundred meter Aperture Spherical Telescope)가 있다. 이러한 접시형 안테나를 여러대 늘여놓은 구경 합성형 전파망원경도 있으며, 멀리 떨어진 두 전파망원경을 이용하여 간섭계를 형성하여 공간 분해능을 높인 전파 간섭계도 있다. 우리나라는 한국천문연구원 산하의 대덕 전파천문대에서 1986년부터 지름 14m의 단일 접시형 전파망원경과 수신기를 설치하여 주로 밀리미터파의 관측 연구에 활용하고 있다. 서울대학교는 지름 6m의 전파망원경을 국내 대학으로는 유일하게 설치하여 2002년부터 연구에 이용하고 있다.

그림 1. 그린 뱅크 망원경()

목차

1930년대 미국 벨 연구소의 칼 젠스키가 우연한 기회에 우리은하의 중심으로부터 오는 전파 신호를 검출함으로써 전파천문학이 시작되었다. 젠스키는 대서양 횡단 전화 라인의 간섭 현상을 연구하던 도중 그 발생 원인을 알수 없었던 전파 잡음이 우리은하의 중심 부분으로 부터 방출됨을 알고 외계에 있는 천체로부터 전파가 방출되고 있다고 주장하였다. 이로써 전파 천문학의 영역이 새롭게 열렸다. 그 후 세계 2차 대전 당시 독일과 싸우기 위한 목적으로 개발한 레이더 기술력을 바탕으로 영국은 매우 우수한 라디오 안테나 기술을 보유하고 있었다. 전쟁이 끝난 후 천문학자들은 더 이상 쓸모가 없어진 기술을 외계에서 오는 전파를 탐지하기 위한 기술에 적용하였다.

전파망원경은 천체에서 오는 전파를 반사시키고 한 점으로 모으기 위해 거대한 접시 모양의 오목한 금속판이나 그물망 형태의 안테나를 사용한다. 그물망 형태의 접시 안테나는 비록 가시광이나 짧은 파장의 전자기파는 그대로 투과 되지만 파장이 긴 전파는 마무런 문제없이 반사되어 한 점으로 모을 수 있다. 전파 영역에서도 짧은 파장대의 전파를 수신하기 위해서는 그린 뱅크의 로버트 C 비어드 망원경처럼 금속판으로 만든 접시형 안테나를 사용하여야 한다.

안테나에 입사된 전파 신호는 매우 약하므로 안테나 후면에 연결된 증폭기에 입력된다. 증폭된 전파 신호는 전파분광기를 거쳐 좁은 주파수 대역으로 쪼개어 주파수 별로 분해되어 기록장치에 저장된다. 저장된 자료는 컴퓨터를 이용해 처리하여 전파를 방출한 천체의 전파 영상의 형태로 처리되어 관측자에게 제공된다.

전파망원경은 광학망원경에 비해 매우 큰 구경을 가지고 있다. 이것은 전파망원경이 관측하는 전자기파의 파장이 광학망원경이 검출하는 파장에 비해 매우 길고 입사되는 광자의 에너지가 매우 낮아서 큰 집광 능력을 가진 넓은 구경의 접시안테나가 필요하기 때문이다. 또한, 공간분해능은 동일한 구경의 망원경인 경우 입사하는 전자기파의 파장이 길수록 나빠지기 때문에 가능한 큰 구경의 접시안테나를 쓰는 것이 분해능을 높일 수 있는 방법이기 때문이기도 하다.

전파망원경은 주로 차가운 성간운의 수소 원자가 방출하는 전파를 검출한다. 수소 원자는 우주에서 가장 흔한 원소이며, 특히 중성 수소의 핵과 전자 사이의 회전 방향의 차이에서 유발되는 초미세천이에 의해 내는 파장 21 cm 의 전파는 가장 광범위하게 관측되는 전파 신호이다. 성간운에 분포하는 수소는 별들로부터 멀리 떨어져 있어서 가시광 영역에서는 빛을 방출하기 어려운 상태에 있기 때문에 전파망원경을 이용한 관측이 이들을 찾아내는데 매우 효율적인 방법이다. 이러한 관측으로 우리은하의 나선구조를 동정하였을 뿐 아니라 외부은하의 운동 특성을 알아내는 데에도 사용된다. 또한 성간운에는 수소 이외에도 유기분자를 포함한 많은 종류의 분자들이 존재하는데 이들도 역시 전파 영역에서 방출이 일어나기 때문에 전파망원경을 이용하여 관측하고 있다. 항성과 그 주변의 행성들은 이러한 성간운의 중심부에서 주로 탄생한다. 따라서 전파망원경은 이들의 탄생과정을 밝히는 데 가장 적절한 관측 수단이 된다고 할 수 있다.

간섭계는 여러 개의 전파 안테나를 배열하여 각각의 안테나 출력을 서로 간섭시킴으로써 전파원의 위치 정밀도와 공간 분해능을 향상시켜 관측할 수 있는 장치이다. 간섭계의 분해능은 가장 멀리 떨어진 안테나 사이의 거리를 @@NAMATH_INLINE@@L@@NAMATH_INLINE@@로 하면 @@NAMATH_INLINE@@ \lambda/L@@NAMATH_INLINE@@ 라디안 정도가 된다. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@\lambda@@NAMATH_INLINE@@는 관측 파장이다. 따라서 @@NAMATH_INLINE@@L@@NAMATH_INLINE@@을 크게하면 좋은 공간 분해능을 높이고 있다. 일본 미국 오스트레일리아 간의 전파 망원경을 간섭계로 사용하거나, 지상의 전파 망원경과 위성 안테나를 간섭계로 사용하여 분해능을 극대화하기도 한다. 우리나라의 경우 제주도 울산 서울 등을 연결하는 전파 간섭계 한국우주전파관측망(KVN)을 운영하고 있다.

그림 2. 제주도에 설치된 한국우주전파관측망(KVN) 21m 전파망원경(출처 : )

망원경의 각분해능은 식별해 볼 수 있는 최소 분리각으로 정의한다. 그리고 최소 분리각은 회절현상에 의해 그 구경에 반비례하며 파장에 비례한다. 그로 파장이 긴 전파 영역에서는 좋은 분해능을 얻기 위해서는 구경을 수 km, 또는 수십 km의 크기로 안테나를 만들어야 하지만 이는 현실적으로 불가능하다. 대신 작은 망원경을 여러 대 멀리 떨어뜨려 배열하여 설치하고 그들로 부터 출력된 신호를합성하여 각분해능을 좋게하는 방법을 구경 합성이라 한다. 대표적인 예로는 미국 뉴멕시코주 평원에 걸치된 VLA(Very Large Array)가 있다. VLA는 27개의 망원경을 다양한 패턴으로 배열하여 분해능을 높이고 있다. 예컨대, 파장이 3 cm인 경우 최고 분해능을 0.2 초에 달한다. 2013년부터 본격적인 가동에 들어간 알마(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA는 모두 66개의 12 m와 7 m급 전파망원경을 칠레의 아타카마 고원지역에 배열하여 최고의 해상도를 가진 관측자료를 만들어내고 있으며 우리나라도 이 프로젝트에 공동으로 참여하고 있다.

그림 3. 칠레의 아타카마 고원에 설치된 ALMA 전파망원경(출처: )